硅基集成电路会被终结吗?


集成电路是二十世纪五、六十年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺,把构成具有一定功能的电路所需的晶体管、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上,然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。六十年来,以单晶硅为主的半导体集成电路,已经变得无处不在,成为整个信息技术的强大支柱。依赖于集成电路存在的计算机,手机和其他数字电器成为现代社会结构不可缺少的一部分。集成电路带来的数字革命是人类历史中最重要的事件。集成电路的制造以及设计技术的不断突破也使其本身有了飞速的发展。早在1965年Gordon Moore (英特尔创始人之一)就曾预言:当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔18个月便会翻一番,性能也将提升一倍。回顾从那时到现在这个领域的发展情况,确实如他所说。为提高性能,人们不断地按照这个规律提高单个芯片上硅晶体管的数量。几十年来微芯片技术一次又一次地突破了工艺极限,今天,英特尔的第三代处理器已经用上了22纳米工艺。

但是,随着器件特征尺寸的不断缩小,特别是在进入到纳米尺度的范围后,集成电路技术的这种一维发展模式面临着一系列物理限制的挑战, 这些挑战有来自于基本物理规律的物理极限,也有来自于材料、技术、 器件和系统方面的物理限制。硅芯片迟早有一天会因为尺寸无法继续缩小而走向终结。哪种材料能替代硅芯片呢?科学家们正在寻找新的方向。其中有二个比较可行的候选方案:一个是被称为“光子集成回路”或者叫“集成光路”(Photonic Integrated Circuits)。与集成电路主要不同的是用光子而不是电子作为数据的载体,其传输速度快,信息量大。已经制造出一些PICs的器件,成功地用于光通讯,特别是光纤通讯上。但是,由于PICs也是采用光刻技术制造,因此也会遇到器件的临界尺寸问题。另一个被科学家较为看好的途径是采用碳纳米管 (CNT Carbon Nanotube)来取代硅。

1991年人类首次发现的碳纳米管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料, 是卷成管状的单层碳原子。碳纳米管是碳的一种形态,成分与金刚石、石墨一样,主要构成成分是碳。是碳的一种同素异形体。碳纳米管直径一般为几个纳米到几十个纳米,管壁厚度仅为几个纳米,像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小,头发丝粗细的空间就可以容纳数万个碳原子。其次,碳纳米管韧性很高,可以弯折,强度重量比在目前已知的材料中是最高的。碳纳米管具有超常的强度、热导率、磁阻,且性质会随结构的变化而变化,可由绝缘体转变为半导体、由半导体变为金属。其导电性极强 ,是铜的100倍。用碳纳米管所制造出的新一代电子元器件,要比硅元器件体积更小、耗能更低且有更强的传导能力,具有优良的导电性能。而它与晶体管的导电方式和原理不一样,所以在进行导电的时候,它的能效相对较高。现在使用的晶体管,在导电过程中会漏电,会发热,这样就使得其能效比可能只有60%至70%。而碳纳米管芯片的能量利用率则比较高,而且发热也比较低。最近的一项研究结果显示,在功耗水平相当的条件下,使用碳纳米管技术制造的电路在运行速度上要比传统的硅半导体电路块5倍以上。

这些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入, 制备工艺日趋成熟,其广阔的应用前景也不断地展现出来。科学家们首先在试验室里成功使用纳米管制造出了单个晶体管,但是要把这些单独的晶体管相互连接在一起,组成较大规模的集成电路则是一件很困难的事。芯片制造者必须找出一种可以大规模的非常精确地排列碳纳米管的方法,这样的电脑芯片才有可能走向实用阶段。研究人员提出了一项新的技术能够使碳纳米管灵巧地对准了蚀刻在晶片上的路线。日前,结合化学方法,他们已经可以将单个的碳纳米管放置在硅晶片上他们想要放的特殊的沟道里。在构造碳纳米管场效应器件时(CNTFET),在一个芯片上放置了一万多个碳纳米管,能够达到每平方厘米10亿个纳米管的密度。而在此之前,科学家们只能同时放置最多几百个碳纳米管,远远无法投入商业化。

虽然科学家们乐观地认为碳纳米管技术将在接下来的十年内准备就绪,可以取代硅成为制造芯片的材料,届时预计半导体芯片的尺寸将缩小至5纳米的极限尺寸。但是否能够成功,现在看来还为时过早。因为除了有许多需要克服的技术障碍外,还有成本以及成品率等问题。何况硅基集成电路的龙头老大英特尔公司还在坚持继续走自己的路,大有不到黄河心不死的气势。他们的工程师和科学家相信,硅芯片的尺寸还有继续缩小的空间,至少目前的情况是这样的。



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95919000:2017-12-16 09:12:28